CN107478374A - 一种基于flex弯曲传感与3d打印技术的无线测斜监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于FLEX弯曲传感与3D打印技术的无线测斜监测系统，该监测系统包括：通过3D打印技术制作无线测斜监测仪的封装壳体、封装壳体之间的旋转链接铰、连接相邻的两个封装壳体的铰接螺栓、传感部件滑动轮、传感器、测斜管、无线发射装置以及传感器的数据采集分析终端；通过弯曲传感器的示数与弯曲角度的线性关系，对监测边坡内部各点弯曲角度进行叠加，通过蓝牙无线发射装置实时传输数据，实现对各个监测点水平位移的实时监测。本发明利用3D打印技术、FLEX弯曲传感器与蓝牙无线传输技术相结合，为简化装置的繁琐的制作过程，通过3D打印一次成型做简单的组装。同时FLEX弯曲传感器为实现边坡无线实时监测提供了极大的便利。

Description

一种基于FLEX弯曲传感与3D打印技术的无线测斜监测系统

技术领域

本发明涉及一种基于FLEX弯曲传感与3D打印技术的无线测斜监测系统，该监测系统主要应用于对岩土工程中边坡或者地基内不同深度土体倾斜变形的无线实时测量，属于弯曲传感技术、3D打印技术、无线传输技术在智能岩土监测领域中的应用。

背景技术

现阶段，我国边坡工程主要通过可靠的设计来保证边坡的安全稳定性，而国外对危险边坡已经做到了实时监测。由于岩土力学还在发展期，很多理论还不完善，尚需要实践和时间去检验，仅通过设计去解决，存在一定的不确定性。且边坡破坏具有极大的破坏力，一旦发生会造成巨大的生命财产损失，极大的威胁到边坡附近人民的正常生活。

目前，边坡监测中现有的测斜仪，都存在一些需完善之处：如专利号CN201903347U提供的电缆与测斜探头连接的测斜仪、专利号CN204902782U提供的光纤测斜仪等测斜仪，具有安装使用复杂，长期使用易折断损坏的问题；又如专利号CN205138480U给出的坡面GPS测点监测仪，费用昂贵难以普及，且坡面位移反应慢，并且会在深部位移，准确性不高；还有一种全站仪监测，需要人工监测，对天气条件有一定要求，难以实施长期实时监测。因此，迫切需求一种可无线传输、体积小、成本低、易于安装使用、可深度监测的监测仪来解决上述问题。

3D打印即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。三维打印的设计过程是：先通过计算机建模软件建模，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，从而指导打印机逐层打印。3D打印技术有许多的优点，该技术节省材料，不用剔除边角料，提高了材料的利用率；能做到较高的精度和很高的复杂程度，可以制造出采用传统方法制造不出来的、非常复杂的制件；不需要传统的刀具、夹具、机床或任何模具，就能直接把计算机的任何形状的三维图形生成实物产品；它可以自动、快速、直接和比较精确地将计算机中的三维设计转化为实物模型，甚至直接制造零件或模具，从而有效地缩短了产品研发周期；3D打印无需集中的、固定的制造车间，具有分布式生产的特点；3D打印能在数分钟内成形，它让设计人员和开发人员实现了从平面图到实体的飞跃；它能打印出组装好的产品，它降低了组装成本。

FLEX弯曲传感器可以作为一种电阻式传感器，与传统的弯曲感器相比有着许多不可替代的优点，如:准确度高、重量轻、可无线传输等。由于它是由超薄的电阻片构成，使得它与传统的弯曲传感器相比，又有许多优点：可以借助超薄的外部封装将它固定在被测物曲面上，配合无线模拟输出，十分方便将数据进行采集并处理。配合带有AD转换的控制器后特别适合做手指弯曲度检测、机器人、医疗器械、建筑检测等产品。传感器封装后受环境影响小，更加容易复用和实现分布式传感等。利用FLEX弯曲传感器复用能力强、重量轻、体积小，可无线传输等优点，封装后埋入监测材料中可以方便地实现全自动准分布式测量，属于目前较为先进的弯曲传感技术。FLEX弯曲传感器的应用范围越来越广，在诸多领域已经开始被尝试应用。因此，FLEX弯曲传感器既可以贴在现存结构的表面，也可以埋入边坡土体内部对边坡变形进行实时监测,监视边坡变形发展及实现滑坡预警。

蓝牙技术是一种无线通信技术，通过安装在不同设备上蓝牙模块的连接可以实现数据的交换共享，使得数据由传感器直接传输到电脑或者手机上变得简单高效。蓝牙技术具有功耗小、技术成熟、成本低、抗衰减能力强等优点。功耗小和抗衰减能力强的优点使得无线测斜监测仪可在土体内部长时间稳定的提供数据输出。同时，成本低等优点可节约无线测斜监测仪的制造成本，使其容易实现，便于推广应用。

倾斜仪是一种测定钻孔侧向位移的原位检测仪器，当所测的建构筑物发生不均匀沉降或边坡失稳产生滑坡等问题时，测斜仪能够及时的测量出所倾斜的角度以及进行横向位移的计算，并提供信息反馈，从而人们可以及时的采取措施并进行及时的补救避免灾害的发生。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明要解决的技术问题在于提供了一种基于FLEX弯曲传感与3D打印技术的无线测斜监测系统，该监测系统用于对边坡倾斜进行实时监测和无线数据传输。

为解决上述技术问题，本发明通过以下方案来实现：一种基于FLEX弯曲传感与3D打印技术的无线测斜监测系统，该监测系统包括：通过3D打印技术制作无线测斜监测仪的封装壳体、封装壳体之间的旋转链接铰、连接相邻的两个封装壳体的铰接螺栓、传感部件滑动轮、传感器、测斜管、无线发射装置以及传感器的数据采集分析终端；

所述封装壳体一端设置有突出的圆铰结构，其内部通过开槽为插入弯曲传感器预留空间；所述圆铰结构包括旋转链接铰和铰接螺栓，所述铰接螺栓置于所述旋转链接铰内，将相邻的封装壳体的圆铰部分对齐相连，并用铰接螺栓将相邻的封装壳体固定；

完成相邻的封装壳体连接后将所述传感器插入所述封装壳体内开好的槽内，使传感器插入后相对封装壳体位置不再移动；

根据监测深度选择监测点数目，3D打印相同数目的封装壳体首尾相连，并使各相邻的封装壳体通过圆铰结构连接及安装相应的传感器；

所述传感部件滑动轮植入所述测斜管中，并将所有传感器的连接线按顺序与数据采集传输装置连接，待所述数据采集传输装置与所述数据采集分析终端通过无线发射装置连接成功后，无线测斜监测系统进入正常工作状态；

通过数据采集分析终端采集数据，并通过传感器数据的变化来换算每个监测点的倾斜角度和水平位移，实现对每个监测点的水平位移进行实时监测。

进一步的，单个封装壳体的长度根据监测所需相邻两监测点的距离确定，其长度等于最终相邻两转角监测点的距离。

进一步的，所述传感器采用FLEX弯曲传感器，其通过电阻变化来测量所述倾斜管的倾斜角度。

进一步的，所述无线发射装置至少包括蓝牙装置。

一种无线测斜监测系统的使用方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：首先在待监测的边坡选择监测点位，将每个监测点位钻孔至所需监测深度，再在监测孔内打入测斜管，并利用水泥砂浆进行封孔固定测斜管；待水泥完全硬化后，按照测斜管深度及预设监测点间距，两项相除可得封装壳体所需设计长度，将按照所需长度及FLEX弯曲传感器尺寸设计好的固定数目的3D打印部件，该3D打印部件包括铰接螺栓、旋转链接铰以及连接传感器的开槽封装壳体，3D打印组装完成，并逐个插入FLEX弯曲传感器，即完成传感部分组装；最后将无线测斜监测仪封装后的传感部分通过传感部件滑动轮从顶部向下缓缓植入测斜管中，待传感部分触底后固定；

步骤2：待水泥完全硬化后，打开蓝牙装置，将数据采集传输装置与数据采集分析终端建立无线连接，利用传感器驱动操作软件，记录初始弯曲传感器的示数；将测斜管顶部用盖子封闭，并在上部铺水泥砂浆防水层；

步骤3：开始监测后，通过连接的数据采集分析终端，连续记录传感器示数随时间的变化；

步骤4：根据传感器示数随时间变化图，利用标定实验得出的无线传感器示数与角度关系，并按照弯曲传感器示数监测点计算水平位移的方法，计算每个监测点的水平位移，做出监测点水平位移随时间变化图，即实现对岩土实时监测的目的。

进一步的，在步骤4中，利用弯曲传感器示数监测点计算水平位移的方法包括以下步骤：

步骤1，通过弯曲传感器标定实验测得传感器示数与角度间的线性关系k。标定过程中通过将FLEX传感器弯曲不同角度时，对传感器的示数进行记录，获得传感器示数与角度之间的标定关系，FLEX弯曲传感器示数与角度间具有线性关系，获取直线斜率k数值；

步骤2，将FLEX弯曲传感器封装后放在边坡土体竖直孔内后，记录FLEX弯曲传感器初始示数为D₁；当土体倾斜至一定的角度时，由于FLEX弯曲传感器受到相同角度的弯曲，此时示数变为D₂；测斜传感器的弯曲角度变化值θ如下值：

ΔD＝D₂-D₁；

式中：△D为弯曲传感器的示数变化值；当传感器因相邻壳体倾斜受到弯曲时，传感器内电阻改变，示数产生变化；θ为无线测斜监测系统中其一个传感器的弯曲角度；

传感器在竖直孔内垂直布置，当边坡土体产生倾斜后，传感器弯曲角度从下至上分别表示为：θ₁，θ₂，θ₃......θ_n。相应的土体内部各个位置传感器顶部相对位移为：S₁，S₁，S₃......S_n。第一个传感器与第n个传感器间高度差为：L_n。关系如下式所示：

S₁＝L₁tanθ；

S₂＝L₂tan(θ₁+θ₂)；

……

S_n＝L_ntan(θ₁+θ₂+...+θ_n)；

通过传感器弯曲角度的至下向上的叠加，求得各个位置土体的倾斜角度，计算后可得该监测点位不同深度监测点的相对水平位移，将相对位移从底部监测点开始逐个累加至上部所需监测点，得该监测点水平位移。

相对于现有技术，本发明的有益效果是：本发明监测系统克服了当前技术的局限性，采用3D打印技术在无线测斜监测仪的制作过程中减少了零件组装的难度，能够对产品的整体结构进行3D打印制作。通过FLEX无线传感器与3D打印技术的相结合，能够有效降低产品的制作成本，获得更大的经济效益，便于更好的推广本发明的监测系统。

本发明监测系统基于FLEX弯曲传感与3D打印技术的无线测斜监测仪测量岩土工程中边坡内土地倾斜角度。通过弯曲传感器的示数与弯曲角度的线性关系，对监测边坡内部各点弯曲角度进行叠加，通过蓝牙无线发射装置实时传输数据，实现对各个监测点水平位移的实时监测。

本发明利用3D打印技术、FLEX弯曲传感器与蓝牙无线传输技术相结合，为简化装置的繁琐的制作过程，通过3D打印一次成型做简单的组装。同时FLEX弯曲传感器具有较高的耐久度且其性能十分优越，灵敏度高、体积小、质量轻、可无限传输等诸多优点。此FLEX弯曲传感制作简单、价格低，为实现边坡无线实时监测提供了极大的便利。

本发明提供的一种基于FLEX弯曲传感与3D打印技术的无线测斜监测仪，用来对边坡倾斜进行实时监测和无线数据传输。通过FLEX无线传感器与3D打印技术的相结合，能够有效降低监测设备的成本，获得更大的经济效益。FLEX弯曲传感器准确度高、重量轻、可无线传输，配合无线模拟输出，十分方便将数据进行采集并处理。利用FLEX弯曲传感器复用能力强、重量轻、体积小，可无线传输等优点，封装后埋入监测材料中可以方便地实现全自动准分布式测量。

附图说明

图1为本发明无线测斜监测系统结构示意图；

图2为本发明内部嵌有弯曲传感器部件的测斜管示意图；

图3为本发明无线测斜监测系统的工作原理框图；

图4为本发明实施例倾角与位移后的装置结构示意图。

附图中标记：铰接螺栓1、旋转链接铰2、封装壳体3、封装壳体出线口4、传感器5、无线发射装置6、数据采集分析终端7、测斜管8、传感部件滑动轮9。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

请参照附图1-3，本发明的一种基于FLEX弯曲传感与3D打印技术的无线测斜监测系统，该监测系统包括：通过3D打印技术制作无线测斜监测仪的封装壳体3、封装壳体3之间的旋转链接铰2、连接相邻的两个封装壳体3的铰接螺栓1、传感部件滑动轮9、传感器5、测斜管8、无线发射装置6以及传感器的数据采集分析终端7；封装壳体3设置有封装壳体出线口4，封装壳体3内部的电路板通过线体与外部的无线发射装置6连接；

所述封装壳体3一端设置有突出的圆铰结构，其内部通过开槽为插入弯曲传感器5预留空间；所述圆铰结构包括旋转链接铰2和铰接螺栓1，所述铰接螺栓1置于所述旋转链接铰2内，将相邻的封装壳体3的圆铰部分对齐相连，并用铰接螺栓1将相邻的封装壳体3固定；

完成相邻的封装壳体3连接后将所述传感器5插入所述封装壳体3内开好的槽内，使传感器5插入后相对封装壳体3位置不再移动；

根据监测深度选择监测点数目，3D打印相同数目的封装壳体3首尾相连，并使各相邻的封装壳体3通过圆铰结构连接及安装相应的传感器5；

所述传感部件滑动轮9植入所述测斜管8中，并将所有传感器5的连接线按顺序与数据采集传输装置连接，待所述数据采集传输装置与所述数据采集分析终端7通过无线发射装置6连接成功后，无线测斜监测系统进入正常工作状态；

通过数据采集分析终端7采集数据，并通过传感器数据的变化来换算每个监测点的倾斜角度和水平位移，实现对每个监测点的水平位移进行实时监测。

单个封装壳体3的长度根据监测所需相邻两监测点的距离确定，其长度等于最终相邻两转角监测点的距离。

所述传感器5采用FLEX弯曲传感器，其通过电阻变化来测量所述倾斜管8的倾斜角度。

所述无线发射装置6至少包括蓝牙装置。

实施例：如图4所示。

本发明的无线测斜监测系统的使用方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：首先在待监测的边坡选择监测点位，将每个监测点位钻孔至所需监测深度，再在监测孔内打入测斜管8，并利用水泥砂浆进行封孔固定测斜管8；待水泥完全硬化后，按照测斜管8深度及预设监测点间距，两项相除可得封装壳体3所需设计长度，将按照所需长度及FLEX弯曲传感器尺寸设计好的固定数目的3D打印部件，该3D打印部件包括铰接螺栓1、旋转链接铰2以及连接传感器的开槽封装壳体3，3D打印组装完成，并逐个插入FLEX弯曲传感器，即完成传感部分组装；最后将无线测斜监测仪封装后的传感部分通过传感部件滑动轮9从顶部向下缓缓植入测斜管8中，待传感部分触底后固定；

步骤2：待水泥完全硬化后，打开蓝牙装置，将数据采集传输装置与数据采集分析终端7建立无线连接，利用传感器驱动操作软件，记录初始弯曲传感器的示数；将测斜管8顶部用盖子封闭，并在上部铺水泥砂浆防水层；

步骤3：开始监测后，通过连接的数据采集分析终端7，连续记录传感器示数随时间的变化；

步骤4：根据传感器示数随时间变化图，利用标定实验得出的无线传感器示数与角度关系，并按照弯曲传感器示数监测点计算水平位移的方法，计算每个监测点的水平位移，做出监测点水平位移随时间变化图，即实现对岩土实时监测的目的。

在步骤4中，利用弯曲传感器示数监测点计算水平位移的方法包括以下步骤：

步骤1，通过弯曲传感器标定实验测得传感器示数与角度间的线性关系k。标定过程中通过将FLEX传感器弯曲不同角度时，对传感器的示数进行记录，获得传感器示数与角度之间的标定关系，FLEX弯曲传感器示数与角度间具有线性关系，获取直线斜率k数值；

步骤2，将FLEX弯曲传感器封装后放在边坡土体竖直孔内后，记录FLEX弯曲传感器初始示数为D₁；当土体倾斜至一定的角度时，由于FLEX弯曲传感器受到相同角度的弯曲，此时示数变为D₂；测斜传感器的弯曲角度变化值θ如下值：

ΔD＝D₂-D₁；

式中：△D为弯曲传感器的示数变化值；当传感器因相邻壳体倾斜受到弯曲时，传感器内电阻改变，示数产生变化；θ为无线测斜监测系统中其一个传感器的弯曲角度；

传感器在竖直孔内垂直布置，当边坡土体产生倾斜后，传感器弯曲角度从下至上分别表示为：θ₁，θ₂，θ₃......θ_n。相应的土体内部各个位置传感器顶部相对位移为：S₁，S₁，S₃......S_n。第一个传感器与第n个传感器间高度差为：L_n。关系如下式所示：

S₁＝L₁tanθ；

S₂＝L₂tan(θ₁+θ₂)；

……

S_n＝L_ntan(θ₁+θ₂+...+θ_n)；

通过传感器弯曲角度的至下向上的叠加，求得各个位置土体的倾斜角度，计算后可得该监测点位不同深度监测点的相对水平位移，将相对位移从底部监测点开始逐个累加至上部所需监测点，得该监测点水平位移。

针对现有监测方法一些弊端：安装使用复杂，长期使用易折断损坏；费用昂贵难以普及，且坡面位移反应慢于深部位移，准确性不高；需要人工监测，对天气条件有一定要求，难以实施长期实时监测等问题。本发明提供的一种基于FLEX弯曲传感与3D打印技术的无线测斜监测仪，用来对边坡倾斜进行实时监测和无线数据传输。通过FLEX无线传感器与3D打印技术的相结合，能够有效降低监测设备的成本，获得更大的经济效益。FLEX弯曲传感器准确度高、重量轻、可无线传输，配合无线模拟输出，十分方便将数据进行采集并处理。利用FLEX弯曲传感器复用能力强、重量轻、体积小，可无线传输等优点，封装后埋入监测材料中可以方便地实现全自动准分布式测量。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于FLEX弯曲传感与3D打印技术的无线测斜监测系统，其特征在于，该监测系统包括：通过3D打印技术制作无线测斜监测仪的封装壳体(3)、封装壳体(3)之间的旋转链接铰(2)、连接相邻的两个封装壳体(3)的铰接螺栓(1)、传感部件滑动轮(9)、传感器(5)、测斜管(8)、无线发射装置(6)以及传感器的数据采集分析终端(7)；

所述封装壳体(3)一端设置有突出的圆铰结构，其内部通过开槽为插入弯曲传感器(5)预留空间；所述圆铰结构包括旋转链接铰(2)和铰接螺栓(1)，所述铰接螺栓(1)置于所述旋转链接铰(2)内，将相邻的封装壳体(3)的圆铰部分对齐相连，并用铰接螺栓(1)将相邻的封装壳体(3)固定；

完成相邻的封装壳体(3)连接后将所述传感器(5)插入所述封装壳体(3)内开好的槽内，使传感器(5)插入后相对封装壳体(3)位置不再移动；

根据监测深度选择监测点数目，3D打印相同数目的封装壳体(3)首尾相连，并使各相邻的封装壳体(3)通过圆铰结构连接及安装相应的传感器(5)；

所述传感部件滑动轮(9)植入所述测斜管(8)中，并将所有传感器(5)的连接线按顺序与数据采集传输装置连接，待所述数据采集传输装置与所述数据采集分析终端(7)通过无线发射装置(6)连接成功后，无线测斜监测系统进入正常工作状态；

通过数据采集分析终端(7)采集数据，并通过传感器数据的变化来换算每个监测点的倾斜角度和水平位移，实现对每个监测点的水平位移进行实时监测。

2.根据权利要求1所述的一种基于FLEX弯曲传感与3D打印技术的无线测斜监测系统，其特征在于：单个封装壳体(3)的长度根据监测所需相邻两监测点的距离确定，其长度等于最终相邻两转角监测点的距离。

3.根据权利要求1所述的一种基于FLEX弯曲传感与3D打印技术的无线测斜监测系统，其特征在于：所述传感器(5)采用FLEX弯曲传感器，其通过电阻变化来测量所述倾斜管(8)的倾斜角度。

4.根据权利要求1所述的一种基于FLEX弯曲传感与3D打印技术的无线测斜监测系统，其特征在于：所述无线发射装置(6)至少包括蓝牙装置。

5.一种以权利要求1-4任意一项所述的无线测斜监测系统的使用方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1：首先在待监测的边坡选择监测点位，将每个监测点位钻孔至所需监测深度，再在监测孔内打入测斜管(8)，并利用水泥砂浆进行封孔固定测斜管(8)；待水泥完全硬化后，按照测斜管(8)深度及预设监测点间距，两项相除可得封装壳体(3)所需设计长度，将按照所需长度及FLEX弯曲传感器尺寸设计好的固定数目的3D打印部件，该3D打印部件包括铰接螺栓(1)、旋转链接铰(2)以及连接传感器的开槽封装壳体(3)，3D打印组装完成，并逐个插入FLEX弯曲传感器，即完成传感部分组装；最后将无线测斜监测仪封装后的传感部分通过传感部件滑动轮(9)从顶部向下缓缓植入测斜管(8)中，待传感部分触底后固定；

步骤2：待水泥完全硬化后，打开蓝牙装置，将数据采集传输装置与数据采集分析终端(7)建立无线连接，利用传感器驱动操作软件，记录初始弯曲传感器的示数；将测斜管(8)顶部用盖子封闭，并在上部铺水泥砂浆防水层；

步骤3：开始监测后，通过连接的数据采集分析终端(7)，连续记录传感器示数随时间的变化；

步骤4：根据传感器示数随时间变化图，利用标定实验得出的无线传感器示数与角度关系，并按照弯曲传感器示数监测点计算水平位移的方法，计算每个监测点的水平位移，做出监测点水平位移随时间变化图，即实现对岩土实时监测的目的。

6.根据权利要求5所述的无线测斜监测系统的使用方法，其特征在于，在步骤4中，利用弯曲传感器示数监测点计算水平位移的方法包括以下步骤：

步骤1，通过弯曲传感器标定实验测得传感器示数与角度间的线性关系k。标定过程中通过将FLEX传感器弯曲不同角度时，对传感器的示数进行记录，获得传感器示数与角度之间的标定关系，FLEX弯曲传感器示数与角度间具有线性关系，获取直线斜率k数值；

步骤2，将FLEX弯曲传感器封装后放在边坡土体竖直孔内后，记录FLEX弯曲传感器初始示数为D₁；当土体倾斜至一定的角度时，由于FLEX弯曲传感器受到相同角度的弯曲，此时示数变为D₂；测斜传感器的弯曲角度变化值θ如下值：

ΔD＝D₂-D₁；

式中：△D为弯曲传感器的示数变化值；当传感器因相邻壳体倾斜受到弯曲时，传感器内电阻改变，示数产生变化；θ为无线测斜监测系统中其一个传感器的弯曲角度；

传感器在竖直孔内垂直布置，当边坡土体产生倾斜后，传感器弯曲角度从下至上分别表示为：θ₁，θ₂，θ₃......θ_n。相应的土体内部各个位置传感器顶部相对位移为：S₁，S₁，S₃......S_n。第一个传感器与第n个传感器间高度差为：L_n。关系如下式所示：

S₁＝L₁tanθ；

S₂＝L₂tan(θ₁+θ₂)；

……

S_n＝L_ntan(θ₁+θ₂+…+θ_n)；

通过传感器弯曲角度的至下向上的叠加，求得各个位置土体的倾斜角度，计算后可得该监测点位不同深度监测点的相对水平位移，将相对位移从底部监测点开始逐个累加至上部所需监测点，得该监测点水平位移。